美国“人造太阳”又实现大突破？ 学者：真实净能量增益远小于1，目的或为核武器研究

封面新闻记者 陈彦霏

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Q值：核聚变反应释放能量和消耗能量之比，一般认为Q＞1即实现了净能量增益，这也是理论上核聚变反应运用于供能的基本门槛。

NIF激光舱（图片来源LLNL官网）

近日，美国“人造太阳”在朋友圈刷屏，由美国政府资助的加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），美国国家点火装置（NIF）首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”（Q＞1）。美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份声明中称，这一突破是一项“里程碑式的成就”，不少媒体也称之为“本世纪最大科技突破”“21世纪重大科学突破”。

12月15日，封面新闻记者联系了多位业内学者，他们为受控核聚变方向的博士研究生，他们向记者表示，此次LLNL声称实现Q＞1，实际并非我们理解的Q值，而真实净能量收益远小于1，如果从电能算起，此次实现的能量仅为0.008。实际上，此次并非LLNL首次声称Q＞1，令人疑惑的是，他们似乎随时在改变Q值的定义。

对于实验目的，科学界也尚有争议，相比目前公认最有希望利用核聚变为人类供电的磁约束核聚变装置，利用惯性约束进行核聚变的方式更像是有“不同用途”。中国工程院院士杜祥琬在接受媒体采访时指出，该实验的定位也不是商用的能源装置，美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题。

美国能源部、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室“重大科学突破”发布会现场。

Q＞1说法存疑

算上激光之前的能量损耗Q=0.008？

据LLNL官宣，实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

网友physixfan是加州大学圣地亚哥分校等离子体物理博士，研究方向为受控核聚变。他对于媒体宣传的Q＞1表示迷惑。他向记者表示，2013年就有过同样标题的新闻，2021年又有过相同标题的新闻，没想到2022年又来。

physixfan向记者表示，需要强调说明的一点是，目前新闻说的能量增益大于1，其含义，还是和前几次大新闻一样，都并非指输出电能到输入电能之比。此次的Q＞1指的是核聚变释放的能量，大于射出激光能量。而在2014年宣称的Q＞1，则是指核聚变释放能量大于输入到靶丸激光能量（射出激光能量仅小部分输入到靶丸里）。

实际上，电能—激光能量—射入靶丸能量—靶丸吸收能量—聚变释放能量，其中每一步都涉及巨大的能量转化和损耗，也存在很多难关需要克服。此次实现激光射入能量到聚变释放能量的Q＞1，对于该项目本身确实是一大突破和进一步跨越，但从原理层面和实际运用层面而言，并没有突破“天堑”。

其中的天堑，在于电能到激光能量的转化。根据美国出版《Introduction to Energy Essentials》的公开资料显示，NIF使用192台激光器其电容器组可存储约422兆焦能量，每次发射后大量零件需要冷却，建成时每天可发射1次或更少，这些激光器本身将输入的电能转换为有用光能的效率很低，不足1%，新闻忽略了激光之前全部的能量损耗。

physixfan向记者表示，去强调Q值的意义，并非在“挑刺”，因为这里面涉及夸大成果：这样定义能量增益可以显得能量增益更大，而且会大很多。他认为，即使从中子到电能的转换效率可以很高，但是输入端从电能到激光的转换效率却很低，且根据其物理原理这个能量转化效率永远都会很低，这两个定义之间的差别，会让能量增益差125倍之多。如果从电能开始算起，而不是从激光能量开始算起，那么NIF实现的能量增益也就0.008而已，并非大于1。

“烧锅炉”还是“炸爆竹”

两条核聚变能之路该走哪条？

据了解，目前对核聚变能量的运用，主要存在两种解决方案：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。

physixfan用“烧锅炉”和“炸爆竹”来比喻这两种方式。

磁约束核聚变就像“烧锅炉”，聚变发生需要高温让所有实物材料都无法承受，但是带电粒子可以受磁场的作用而改变运动轨迹，因此人们设计了用磁场作为反应容器的装置托卡马克。磁约束聚变装置像是“烧锅炉”，只不过炉子的壁是磁场而不是石头。一开始想点燃“炉子”里的煤是很困难的，但是只要点火成功，之后“炉子”就可以保证持续燃烧了，只要按时往里添“煤”就可以。因此，磁约束核聚变在理想情况下，点火之后就可以持续释放聚变能，然后自己维持温度和约束，持续地释放能量。

而惯性约束核聚变则像“炸爆竹”，氢弹之所以不能受控地释放能量，原因就在于它需要让原子弹引燃。如果不用原子弹，而用其他方式达到高温高密，就可以可控的少量释放核聚变能，惯性约束就是这个思路。惯性约束聚变就像是爆竹，是一个能量较小的小炸弹，只要每隔一段时间点燃一个，然后把爆炸的能量想办法收集，就可以是个好的能源。但与爆竹不同的是，点燃惯性约束聚变的靶丸可没那么容易，不仅仅需要功率极高的激光，而且对能量输入的对称性也要求极高。

在此基础上，physixfan提出，即便惯性约束核聚变Q＞1，和磁约束核聚变相比，意义并没有那么大。在磁约束核聚变中，当聚变产生的能量输出大于输入之后，等离子体可以实现“自持燃烧”，相当于只要往里不停地补充燃料，聚变能就可以持续释放。而惯性约束聚变则在原理上迥然不同，每一炮都是独立的，每一炮对对称性都要求很高，不存在自持燃烧的概念，因此能量增益的提升只能一点点地继续提升，每继续提高一点都需要艰难的努力。

此外，也有科学家点出了这次实验装置的“不同用途”。中核战略规划研究总院研究员许春阳表示，这次取得突破的国家点火装置，实际是美国政府为加深核武器的基础研究，而投资兴建的一座大型惯性约束聚变科研装置，也是美国推动基础科学前沿、先进能源技术的科学重器。

而中国工程院院士杜祥琬14日接受《环球时报》记者采访时也指出，该实验的定位也不是商用的能源装置，美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题。据介绍，美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。这可以帮助美国绕过因《全面禁止核试验条约》而停止的地下核试验，转而以较小的规模进行核反应实验，并从中收集数据。LLNL的武器物理和设计项目主任马克·赫尔曼表示，该实验本身就创造了非常极端的环境，更加接近于核武器爆炸。

真正实现Q＞1后

核聚变能距离商用又有多长？

在我们真正实现Q＞1后，核聚变能应用于商业又有多长呢？

根据中科集团核工业西南物理研究院编著的科普丛书《托起明天的太阳》，科学家们将实现核聚变能的实用化分成了三大步骤，即实验堆一示范堆(DEMO)一商用堆，实验堆和示范堆分别承担着工程可行性和商用可行性的验证任务。实验堆是可控核聚变达到实用化的第一步，需要攻克许多的技术难题，主要是把一些理论数据用实验的方式加以验证，为真正的使用夯实基础。作为目前在建的世界第一个核聚变实验堆——国际热核聚变实验堆(ITER)，是在进入ITER之后，示范堆建设之前，奠定实现核聚变能商用化路线的最重要一步。

“示范堆”是从实验堆发展到核聚变堆商用的过渡阶段，若这一步完成，也就标志着核聚变能源的开发已经解决了大部分的技术难题。

当示范堆建成，核聚变反应能长期稳定运转，能量增益Q>1时，便可以不断修复示范堆的缺陷，并且进一步研究示范堆的成功模式是否可以继续复制下去。但是单单做到Q>1还远远不够。从成本计算考虑，烧锅炉的汽轮机热电转换效率在40%~70%，再加上一些损耗，要做到输出功率转化为电能后仍然大于输入功率，即核聚变堆要做到真正意义上的实用，需要Q>2.5。而作为商业运作，还需考虑设备、人员成本等因素。因此，一般认为Q>50才值得去推广，只有当Q>50时，才意味着输出能量转化为电能之后还可以创造盈利。

我国核聚变能发展建立了三步走的发展规划

考虑到我国的能源发展战略和实际国情，我国核聚变能发展也建立了三步走的发展规划。其中第三步为2030-2050年，将实现科研到商业化的转变，继续走国际合作之路，联合建造示范堆，或者建造“中国磁约束核聚变示范堆”，进而实现核聚变能源的商用化。

作为核聚变发电实用化更加切实可行的途径，目前最有希望的是正在由35个国家合作在法国建设的国际热核聚变实验堆（ITER）。

交付国际热核聚变实验堆（ITER）核心部件增强热负荷第一壁

中国在国际热核聚变实验堆（ITER）计划建设中的投入约70%以实物贡献方式（即制造、提供ITER装置部件）投入，10%由我国派出所需科研人员折算，其余约20%以现金方式。中国共承担了14个采购包制造任务（实物贡献）。此外，我国不但是ITER项目的主要参与方，还建成了中国环流器二号M（HL-2M）等大型实验装置，目前是全世界聚变研发支持力度最大的国家之一。

新一代“人造太阳”中国环流器二号M（HL-2M）

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